车辆液压辅助动力系统设计.doc

第1章 绪 论随着国民经济的迅速发展，汽车成为重要的交通工具已越来越广泛的运用于日常生活中。但其所带来的问题也是不容忽视的。首当其冲的便是能源的过度消耗和环境的污染问题。本章主要介绍了汽车面临的问题及解决办法，并介绍了新型节能汽车的国内外发展情况。1.1 汽车工业发展所面临的问题 汽车是重要的交通工具，是科学技术发展水平的标志。汽车工业是国民经济的支柱产业，对社会的经济建设和科学技术的发展起着重要推动作用。另外，汽车也是社会物质生活水平的标志。自第一辆汽车18“年问世以来至今己100多年，汽车工业从无到有，迅猛发展，产量大幅度增加，技术日新月异。目前全世界汽车的保有量已超过5亿辆。虽然汽车工业发展良好，前景光明，但也面临着不少问题急待解决。传统的汽车驱动系统多采用机械操作系统，在汽车刹车、怠速和下坡时会损失大量的能量。而大量能量的损失会导致一系列问题1。1.1.1 能源问题 近年来，能源问题的阴影己笼罩着全世界，能源问题已成为世界各个国家共同关注的焦点问题。自1972年第一次石油危机以来，在世界范围内接连发生了第二次和第三次石油危机，再加上世界主要产油地区海湾地区战火不断，极大的影响了世界石油供应。能源问题己成为关系国家经济命脉的头等重要问题。如何有效的利用能源己成为世界科学家与工程师们普遍关注的问题。与其它国家相比，正处于发展中的我国的能源消耗巨大，平均以每年3%的速度递增。1.1.2 环保问题无独有偶，与能源危机相伴而来的是环保问题。当今世界是和平与发展的年代，在总体和平的背景下，各国经济情况较好，物资生活水平迅速提高。可是，随着国民经济的迅速发展，大量人为排放的废水废气、噪音、无节制地取用地下水、没有计划的开发资源已严重破坏了自然界的生态平衡，酸雨、洪涝、干旱、各种罕见疾病等如洪水猛兽般不断出现，对人们的日常生活带来严重的影响，环境保护成为社会日益关注的问题。在我国，据国家环境监测机构对全国1999年各大中城市环境污染所做的报告显示：在被调查的338个城市中，只有33.1%的城市的空气状况满足国家空气质量二级标准，另外66.9%的城市超过国家空气质量二级标准。在这中间，还有137个城市超过国家空气质量三级标准，占所统计城市数目的40.5%。在对大气的主要污染物总悬浮物(TSP)的调查中，有60%的城市的TSP浓度值超过国家二级标准。在对另一项污染物二氧化碳浓度的调查显示，年均值超过国家二级标准的达到28.4%左右。一些大城市机动车排放的污染物对各项大气污染指标的贡献率达到60%以上。全国有80%的城市的主要交通干线噪音超标，超过70分贝。在这方面，数目大的惊人的汽车无疑是罪魁祸首之一。汽车排房物中有大量的有害物质，包括碳氧化合物，氮氧化合物和黑烟等等2。另外，在当代的城市中，由于汽车刹车、启动频繁，经常鸣笛，从而为都市的生活造成了很大的噪音。即使汽车在一般的行驶过程中其噪音也达到了8090分贝。一般的噪音会影响人的工作效率，引起人的烦恼。噪音达到35分贝以上的时候就会影响人的睡眠休息，甚至分致耳聋或其它疾病，从而导致一系列的恶性后果，严重影响人们的正常生活。1.2 节能环保汽车的发展情况节能汽车在当今我们这个提倡节约的社会越来越被人们广泛关注。各种各样节能型汽车的不断出现为汽车工业的可持续发展提供了良好的开端。本节主要介绍国内外几种形式的节能汽车发展情况及程度，在了解其基本情况的基础上可拓展一下我们的视野和思维。1.2.1 总体发展思路实施汽车排放清洁的方式很多，比如提高油的品质、在燃油中加入添加剂。但通过汽车技术创新来实现环保的思路只有三条：一是在传统汽车的基础上进行技术改造；二是开发全新的汽车，利用新能源；三是安装净化装置。其中，技术改造包括电控喷射技术，半导体辅助点火系，无触点点火系，微机控制点火系和无分电器点火系。开发新能源包括电动汽车，太阳能汽车，氢动力汽车，醇类燃料汽车和天然气汽车。安装净化装置包括催化式净化器，陶瓷微粒捕集氧化器，静电微粒捕集器和袋滤器等。 1.2.2 国外发展情况在国外，以节能驱动为目的的研究发展情况主要如下： 一种以发动机长时间处于经济工况为目的的复合驱动系统(即在相对于同等车型的底盘上装用小功率发动机，在不失动力性的同时获得较高经济性的技术)研究已有很长时间，并取得相当的成功。上世纪七十年代末期和八十年代初期，原联邦德国的大众和美国的福特公司开始分别在Pinto和Chico小轿车上、原联邦德国的Mannesmann Rexroth加Hydromati。两家公司在公共汽车上进行了节能的有关研究工作，前苏联也进行了类似的工作。概括起来有静液压传动的飞轮蓄能的电力复合驱动和特殊异步电机控制蓄电池组蓄能的电力复合驱动两种型式。试验结果表明，静液压飞轮复合驱动可使每循环(加、减速循环)平均油耗降低约30;电力复合驱动平均循环节约油20，同时，提高了汽车的加速性能，延长了其使用寿命。到了九十年代，随着液压和电动技术的发展，世界许多汽车公司加紧了对复合驱动汽车的研制和开发。俄罗斯的阿兹勒克A3JTK一2141和拉斯J1A3一4202公共汽车运用成熟的技术开发了小功率发动机加储能器的复合驱动装置，油耗分别下降了29%62%和18%42%。9496年俄罗斯依热大斯克车辆厂采用铅酸电池作为电能储存器，发动机油耗比原车型降低21%以上，在车辆的燃油经济性得到了可观提高的同时，排放也得到了人大的改善，二氧化碳的排放率下降50%, CO, HC和NO、只有传统发动机的1/10,且有良好的加速性，反应更加灵敏。另外，美囚的通用福特、克莱斯勒在九十年代中期与美国能源部投资上亿美元开发复合驱动项目研究，最近俄罗斯专家提出用电容器储能装置研究复合驱动汽车，其优点是质量功率大，并能在数秒内存储和释放能量。随着世界性油料紧张，价格上涨，尾气排放限制越来越严格;复合驱动是今后汽车节约传动的一种发展趋势。美国PNGV(美国政府和汽车工业界的合作契约的简称)计划十年内开发出三倍与目前燃料效率的汽车，其研究主要从三个方面着手，一是提高燃料转换成机械能的效率，二是降低车重减少汽车对能量的要求，三是实现再生制动，将减速及制动过程损耗的能量回收利用。最近，瑞士科学家又研制成功了一种新型的节能环保车。据俄罗斯国际传媒新闻网的报道，瑞士联邦工程大学利诺顾泽拉教授带领的专家小组近日研发、制造出了世界上消耗燃料最低的汽车并给它起名为Pac-Car，如图1.1所示。顾泽拉教授介绍说，Pac-Car中运用了目前世界上先进的氢气动力技术。只需要8升燃料，人们就可以驾驶这种汽车环游世界一周！此外，这种汽车的另一大优点就是，它在公路上行驶时绝对不会污染环境3。图1.1 氢动力汽车1.2.3 国内发展情况在国内，汽车的节能技术研究开展了很长一段时间，取得了一定成就。但多局限于内燃机的个别系统。以运行的车辆整体为研究对像，通过回收被损失的机械能予以再利用的义合驱动途径改善车辆燃料经济性、动力性、环保性的研究尚不多见。另外，还有一种采用二次调节静液传动的系统其功能与复合驱动系统似，二次调节静液传动是德国学者H.W.Nilaus提出的一种新型静液传动技术，它利用驱动元件(液压马达/泵，也称为二次元件)能够工作在由其输出转速和输出转矩构成的直角坐标系中四个象限的特点，把工作系统的惯性能和重力能回收并储存.在需要时再将所储存的能最释放。此外，该系统还具有调节方便、易对多种参数(如转速、转矩和功率)进行控制等优点，可广泛地应用于车辆的驱动中，尤其在频繁刹车、起动的城市公交车辆中，它可以极大地提高系统效率，节约能源。在国内哈尔滨工业人学对其进行了大量研究，取得了一些成果。我国的新型的电动节能轿车的开发和研制也取得了很大的进展，华中科技大学研制成功了一种这类车辆。据介绍，这种纯电动轿车的驱动系统是该校自行研制的开关磁阻电机及其控制器，采用了与世界先进水平保持同步的全数字化高性能控制技术，并具有明显的性能与价格优势。动力源为高性能锂离子电池。传动系统取消了离合器，专门设计制作了传动箱，无须手动变速，操作方便。该汽车具有电机能量回收制动系统和机械制动系统，一次“能量补给”能续驶250公里，适合于各种路况，具有零排放、低噪音、运行平稳、出力大、自动调速、快响应等明显特点。现在国家对小排量汽车也取消了限制，建立能源节约型，环境友好型的社会已经成为了一个热门话题，前不久，国务院办公厅转发了国家发改委等六部委联合发布的关于鼓励发展节能环保型小排量汽车的意见，要求取消一切针对节能环保型小排量汽车在行驶线路和出租汽车运营等方面的限制，小排量汽车的发展再次成为业内关注的焦点。发展节能环保小排量汽车是一件鱼与熊掌能够兼得的利国利民的好事。既能发展汽车工业，又可缓解能源资源短缺的压力，既能促进中国经济持续快速发展，又可满足广大消费者消费结构升级过程中的需求。他说，发展经济型的环保小排量汽车，要致力于消除体制性、政策性、观念性等多重障碍，通过财政税收等体制改革、加大对节能环保型小排量汽车研发的支持力度、更新消费者消费观念等手段，为节能环保型小排量汽车的发展创造一个好的体制环境、政策环境和发展环境。相信我们的节约环保汽车的前景会更加的美好3。1.3 液压节能驱动技术在汽车上的应用 车辆行驶过程中，按着起步、加速、匀速、减速和制动等工况循环交替地工作。 车辆在减速、制动工况，实质上是将其在上一工况行驶中具有的机械能借助空气阻力、道路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使机械能量被浪费掉，制动系统磨损，而且，发动机处于强推怠速工况，燃烧及排放恶化。 车辆在加速与上坡工况，发动机处于大负荷甚至超负荷状态，混合气浓度大，耗油量加大且燃烧不完全现象加剧。导致油耗大且加剧环境噪声与废气污染。 起步工况，车辆状态由静到动，由于惯性载荷大(尤其对大、中型车辆)，导致耗油多，冲击力大。在汽车的减速及制动过程中若减速度大于车辆在该车速、环境、路况下自由滑行的减速度，则该过程中即有可回收利用的惯性能量(通过发动机制动、制动器制动所消耗的能量)。由上述分析可见，如果将车辆在减速制动工况损失的机械能加以回收，使发动机处于正常的怠速工况:然后在车辆起步、加速、爬坡等工况子以释放，帮助发动机工作，使发动机更长时间处于经济工况下运转。这样不仅可以节约油料，提高动力性，减少装车功率，延长车辆使用寿命，而且还可以减低噪声和废气对环境的污染。1.4 液压节能驱动技术的发展前景液压混合动力技术是指在不改变传统客车底盘结构和发动机的前提下，通过在底盘上加装一套液压再生驱动总成，使大部分通常被浪费掉的制动能量有效回收储存、并利用在车辆起动和加速上，从而达到节约燃油、降低排放、减少发动机和制动器磨损的作用。 产品特点和优势：减少30%（最高可达42%）的燃油消耗；减少50%的尾气排放；减少80%的制动维修费用；减少50%的发动机磨损；增加50%的制动力；增加40%的加速力；减少50%的运行费用；价格便宜，整车成本增加不超过30%；维修保养操作简便，一般车辆维修厂均可对该产品进行维修保养技术创新性：液压装置上，采用新的液压网络节能理论新的节能控制策略该总成采用国际标准工业通讯CAN总线进行计算机智能控制。市场现状和前景：液压再生能量驱动装置具有很广阔的市场切入面，具有投入小,见效快的特点。既可以对在用车进行改造，也可以作为新车的一个可选择的配置直接装备在新车上。对在用车进行改造的主要产业链群体为各地公交运营公司，而装备于新车的主要产业链群体是客车生产厂家和底盘生产厂家。以北京公交为例，北京公交目前拥有公交运营车辆1万8千多辆，每年燃油费用高达10亿元人民币，如果全部安装上液压再生驱动总成，每年可为公交节省3-4亿元的燃油费用。如果推广至全国，市场前景将相当可观。另外，再加上系统的节能与环保方面的优势，更是能给社会带来巨大的经济效益和社会效益。 第2章 车辆液压节能驱动系统工况分析液压系统的设计有着明确的规范和要求，而对整个系统所进行的工况分析是必不可少的。只有在明确系统的工作情况后才能进行具体的改造和设计。本章主要介绍了汽车的工作情况及各方面的性能要求，以便设计参考。2.1 液压节能驱动系统的设计要求设计液压系统时，首先要明确主机对液压系统的要求，具体包括4：1、主机的动作要求 是指主机的哪些动作要求用液压传动来实现，采用哪种类型的执行元件，各执行元件间的动作循环及其动作时间是否需要同步，互锁等。2、主机的性能要求 是指主机对采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作阶段所需的力和速度的大小，调速范围，速度的平稳性，动作周期等方面都必须有明确的数据。对要求高精度，高生产力及自动化程度高的主机，还要提出静，动态指标的要求。3、主机的使用条件和工作环境 如环境温度的变化范围，作业场地等情况，灰尘状况等；周围有无易燃物质和腐蚀气体等，也应加以注意。4、其他要求 如液压装置在重量，外行尺寸等方面的限制以及经济性，耗能方面的要求。2.2 工况分析液压系统的工况分析就是分析设备在工作过程中，其执行元件的负载和运动之间的变化规律。在此基础上，绘制出负载循环图和速度循环图。工况分析包括负载分析和运动分析。2.2.1 例子汽车行驶速度变化典型曲线如图2.1所示。图2.1 汽车行驶速度变化实测图从图2.1可知，公交汽车时速一般低于60 km/h且加减速频繁，大多数时间公交汽车处于20 km/h40 km/h的较低速度。仅就公交汽车在通行较为顺畅的市郊路段而言，经实测其起步、加速、减速、制动工况频率高达72%以上。并且随着道路、交通流量和环境的复杂化，这一频率会变得更大。因为加减速频繁，所以大量的能量在制动时被浪费，同时也加速了机器零件的磨损，增加了废气的排放量。2.2.2 测定结果分析 由于汽车运动具有随机性，因此采用统计学原理进行分析，把单位时间内速度变化绝对值小于士0.255的运行工况(即有效载荷是1.5T脱挡滑行减速度值。)定为匀速工况；减速度大于0.255者定义为减速度工况；加速度值大于0.255者定义为加速工况。 经对记录曲线统计:平均行驶速度为2040km/h；依发生时间统计匀速工况，加速工况，减速工况，频率分别为27.8 % 、44.88%、27.30%，如图2.2所示，典型脱挡滑行减速度均值为-0.255，收油门减速度为-0.2550.65，制动减速度为-0.659.0 。图2.3是全程典型减速、制动与加速循环工况，其平均减速度为0.689，典型加速强度为0.729，平均加速强度为0.419 。图2.2 加、减、匀速频率图图2.3 典型加速、减速与制动工况图2.3 制动系统性能要求 标准规定的制动系统性能是在规定的条件下，通过测量相应的初速度下的制动距离和/或充分发出的平均减速度来确定。充分发出的平均减速度按下列公式计算GB 12676 1999 （2.1）式中 实验车制动初速度； 0.8实验车速； 0.1实验车速； 实验车速从到的行驶距离； 实验车速从到的行驶距离。2.4 本章小结 本章主要介绍了液压节能驱动系统的设计要求，并对汽车工况进行了测定分析，给出了汽车速度和工况等随时间变化的曲线图，从而使我们更加了解车辆的各方面的性能。第3章 车辆液压节能驱动系统方案设计本章主要介绍液压节能驱动系统的工作原理，对各个部分进行了简要的说明并明确其在系统中的功能。另外简单的介绍了二次调节静液传动系统以便于更好的理解节能驱动系统。3.1 节能驱动系统方案确定本次设计的目的是通过对公交车辆在制动时的所产生的惯性能加以存储和利用，从而达到节约能源，减少环境污染的目的。经过各方案的比较，最终决定采用这种液压复合驱动系统。所谓复合驱动系统是采用两种以上的驱动方式作为动力来源。本次设计的第二个能量来源就是系统所储存的液压能。3.1.1 液压复合驱动系统的组成1、 蓄能器蓄能器是本系统中最为关键的元件之一，在系统中起到储存、释放能量的作用。2、 液压泵/马达液压泵/马达都是液压传动系统中的能量转换元件。液压泵将机械能转换为液压能，即由原动机驱动，把输入的机械能转换为液压能，再以压力和流量的形式输送到系统中去。液压马达将液压能转换为机械能，即将输入的液压能转换为机械能，以转矩和转速的形式输送到执行机构做功。3、 离合器离合器是传动系统中的关键元件。通过闭合和分离两种状态来达到液压能的输出和截止。4、 辅件包括电磁换向阀、过滤器、压力表等。具体作用见4.3。3.1.2 液压复合驱动系统的工作原理 以下是液压节能驱动系统图，通过此图来说明该系统的工作过程。 1 -分动器 2- 传动轴 3 -单片机 4 -电磁阀 5-蓄能器 6 -压力表 7-安全阀 8 -油箱 9 -变量泵/马达 10 -离合器 11 -滤清器 12 -变量泵/马达工作机构 13 -油门踏板 14 -刹车踏板 15-压力继电器 （1）加速信号 （2）减速信号 （3）压力信号 （4）阀控制信号 （5）压力继电器信号（6）工作机构控制信 （7）分离机构控制信号图3.1 液压节能驱动系统图能量的回收与释放通过可逆的油泵/马达9实现，在蓄能时作为油泵，在能量释放时作为马达。液压泵/马达的蓄能能量释放功能转换山电磁阀4及其相应的辅助装置实现，并受单片机控制，单片机接受发动机转速、泵/马达转速、系统压力、车辆运行状况及驾驶员操作意图等相关传感信号，综合处理后对节能系统进行控制。回收的能量以液压能的形式存贮于蓄能器5中，在能量释放过程中，贮存的液压能由马达经分动器接口传动轴协同发动机驱动底盘工作。为消除回收能量时发动机起制动作用而使能量不能充分回收再利用，方案设置了车的传动系统与发动机间的动力流电控液动离合装置。该装置工作信号与主控阀信号相一致，在能量回收时将发动机与传动系统间动力传递切断，从而消除了减速制动过程中的发动机起制动作用，而使蓄能装置不能充分发挥作用的现象，同时也消除了发动强推怠速工况。3.1.3 功能描述 汽车制动分为紧急制动与普通减速。前者直接使用汽车原有刹车系统。后者使用节能驱动系统，当减速开始时，司机轻踩刹车踏板，通过踏板上的传感器及控制系统，液压系统被激活。变量泵/马达作为泵，将油液从油箱泵入蓄能器。同时，泵/马达产生扭矩进行制动。蓄能器通过气囊将气体与液体分开。当蓄能器未泵入液体时，蓄能器内气体压力维持在较低值。在减速过程当中，逐渐增加的液体容积迫使气囊变小，因此气体压力也随之增大并接近最大值。在这个过程中，泵/马达产生的制动扭矩也逐渐加大。当系统压力达到最大值时，马达也产生最大的制动扭矩，同时液压系统的安全阀打开，使得系统压力不再增加，泵/马达也将保持该制动力矩，直到将车辆速度减至理想速度。 如果遇到紧急情况，要求汽车在极短的时间内将速度减到很小或停止，司机将踩动刹车踏板，则在节能驱动系统产生最大制动力矩的同时，原有的汽车刹车系统也将起作用，两套制动系统一起动作将速度减至理想。 如果节能驱动系统的蓄能器未充满而减速过程已停止，则系统将保持该压力，等下一个加速或减速过程将释放或充满。 当汽车开始启动加速时，高压液体经过开关阀驱动变量泵/马达，该元件作为马达再推动驱动轴，使汽车启动加速。在这个过程当中，发动机同时运作，汽车此时有两个动力源，使得汽车能在更短的时间内加速并减少发动机耗油量。当在加速过程中，节能驱动系统内压力小于调定值时，由压力传感器发信号自动断开与传动系统的连接，由发动机驱动汽车继续前进。在水平路面上，蓄能器所储存的能量达这个速度后，发动机转速增加并逐渐与驱动轴协调一致，汽车传动系统开始运转。发动机接替变量泵/马达输出动力。汽车又回到刹车减速前的正常状态。3.1.4 车辆的控制方法1、汽车开始制动时，司机踩动刹车踏板，由制动踏板控制的变量泵/马达控制开关将其转化为泵工作。汽车的动能通过车轮、传动系驱动泵工作。给蓄能器提供液压能，这样就把汽车制动时的动能转换成液压能储存起来。系统压力的最大值可通过安全阀控制。如在紧急状态，要求汽车的减速度较大时，继续踩制动踏板，激活汽车的机械刹车系，使汽车迅速停车。 当紧急制动时，司机猛踩刹车踏板，踏板在极短的时问内就通过启动节能驱动系统阶段的行程，在本系统起作用的同时，汽车原来的刹车系统也一起制动，从而使汽车能在极短时间内减速至要求速度或停止。2、当汽车起步加速时，驾驶员踩动加速踏板。加速踏板控制的变量泵/马达控制开关使得变量泵/马达转化为马达工作状态。与变量泵/马达相连的离合器结合，马达给车辆提供动力，同时，发动机也给汽车提供动力。马达在蓄能器释放的压力能推动下运转，使汽车起步或加速，随着汽车加速运动，蓄能器内压力能减少，压力降低。当压力低于设定值时，压力传感器发出信号控制节能驱动系统的离合器与汽车传动系脱开。发动机接替变量泵/马达为汽车提供能源，驱动汽车前进。当汽车在行驶过程中加速时，随着司机踩动油门，在发动机加大输出功率的同时，节能驱动系统也被激活。当泵/马达输出轴的转速与发动机的转速相匹配时，控制系统控制与汽车传动系接合，为汽车提供额外动力，直至加速过程结束或系统所储存液压能释放完毕，才将本系统与汽车传动系断开。3.2 二次调节静液传动系统简介二次调节静液传动系统功能与复合驱动系统类似，二次调节静液传动是德国学者H.W.Nilolaus提出的一种新型静液传动技术，它利用驱动元件(液压马达/泵，也称为二次元件)能够工作在山其输出转速和输出转矩构成的直角坐标系中四个象限的特点，把工作系统的惯性能和重力能回收并储存，在需要时再将所储存的能最释放。此外，该系统还具有调节方便、易对多种参数(如转速、转矩和功率)进行控制等优点，可广泛地应用于车辆的驱动中，尤其在频繁刹车、起动的城市公交车辆中，它可以极大的提高系统效率，节约能源。采用该技术的公交车组成结构如图3.2。在图3.2中，发动机2带动液压泵4为系统提供所需的液压能，在液压能的作用卜，二次元件6通过后桥7驱动车辆的驱动轮8，实现车辆的加速和匀逆行驶。当车辆在制动过程中，二次元件在控制器1的控制下，使二次元件处于液压泵工况，由动能转化输出的压力能送入液压蓄能器5，将车辆的动能以压力能的形式存此在液压蓄能器中：在启动和加速过程中，二次元件处于液压马达工况，液压蓄能器中的压力能又通过工作于液压马达工况的二次元件转变为汽车的动能4。1-控制器 2-发动机 3-离合器 4-液压泵 5-液压蓄能器 6-二次元件 7-后桥 8-驱动轮图3.2 采用二次调节静液传动技术的城市公交车辆传动系统结构示意图3.2 本章小结本章首先从整体上对液压节能驱动系统作了介绍，明确了系统方案及组成，并对各个元件的作用进行了说明。随后对照系统图对其原理进行了详细的解释，并结合车辆的实际行驶过程对系统的各种功能及控制方法进行了描述。第4章 驱动系统设计本章主要对液压节能驱动系统中的各个元件进行了详细的介绍，并分别对蓄能器、液压马达、电磁阀等关键零件进行了各项性能标准的标定并对其工作原理进行了介绍。该部分是整个液压驱动系统的核心。4.1 蓄能器的工作原理及参数计算（NXQ系列蓄能器）蓄能器作为整个液压系统的关键零件之一，必须明确其功能和设计标准，本节着重介绍了其工作原理和各项指标的计算方法，并对其进行了校合。4.1.1 蓄能器的工作原理NXQ系列胶囊式蓄能器是液压系统中重要的不可缺少的液压辅件。有储蓄能量、稳定压力、消除脉动、吸收冲击、补偿容量和补偿泄漏等作用。油液实际是不可压缩的，因此不能蓄积压力能。胶囊式蓄能器是利用气体（氮气）的可压缩性来蓄积液体的原理（即采用氮气作为压缩介质）而工作的。 胶囊式蓄能器由油液部分和带有气密隔离件的胶囊（内装氮气）构成。位于胶囊周围的油液与液压回路相通。因此，当压力升高时油液进入囊式蓄能器由此气体被压缩；当压力下降时，压缩气体膨胀，进而将油液压入回路，以下明确了部分NXQ系列液压蓄能器的表示方法及技术参数和各种型号的各项标准，以便根据系统要求选择适当的蓄能器5。 图4.1 NXQ型蓄能器螺纹连接结构简图 设计标准见表4.1。表4.1 NXQ系列蓄能器技术参数表型号公称压力公称容积尺寸 重量NXQ-0.63/*-L102031.50.6389501903184.5NXQ-1/*-L12904186NXQ-1/*-L1114502053336NXQ-1.6/*-L1.61526521537012.5NXQ-2.5/*-L2.528043515NXQ-4/*-L439054518.5NXQ-6.3/*-L6.356071525.54.1.2 参数计算由于本系统任务是将车辆的所损失的机械能(主要是动能)转换为液压能，所以根据能量守恒定律，车辆所损失的机械能必与系统液压能相等。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动9。在本液压系统中，液压泵/马达的蓄能与能量释放功能转换必须由电磁阀及相应的辅助装置实现，本系统采用2W-B系列电磁阀，该阀体积紧凑，可简便阀体的拆装, 电器接线空间大，安装配线容易，由于阀体流道采用特殊结构设计，因而内部阻抗小，可减少内部压力损失，使能源效率提高，并且符合节省能源的潮流。而且内阻抗小，使压力降减低，液压油之温度亦相应降低，使液压油较不易变质，液压油寿命延长，减少液压油更换费用，机器本身亦不会因为受到热量之影响而导致加工精度误差甚至变形。电磁线圈的固定螺帽具有特殊防松设计，可防止因机器产生共振而发生电磁线圈脱开。 附加低冲击电压型的线圈，可确保电气系统的安全性。外观如图4.3。图4.3 2W-B型电磁换向阀4.3.2 过滤器过滤器的功能是清除液压系统工作介质中的固体污杂物，使工作介质保持清洁，延长元器件的使用寿命，保证液压元件的工作性能可靠。液压系统故障的75%左右是由介质的污染所造成的。因此过滤器对液压系统来说是不可缺少的重要辅件。过滤器的主要性能参数包括：1、过滤精度：指油液通过过滤器时，能够穿过滤芯的球形污染物的最大直径。2、过滤能力：指在一定压差下允许通过过滤器的最大流量。3、纳垢容量：指过滤器在压力降达到规定值以前，可以滤除并容纳的污染物数量。4、工作压力：不同结构的过滤器工作压力是不同的。5、允许压力降：油液经过过滤器时要产生压力降，其值与油液的流量、粘度和混入油液的杂质数量有关。为了保持滤芯不被破坏或系统的压力损失不致过大，要限制过滤器的最大允许压力降，取决于滤芯的强度10。 4.4 本章小结 本章主要对液压节能驱动系统的主要元件蓄能器和变量泵/马达的各项设计参数进行了说明，并明确了其计算方法。对各元件进行了校核，为系统选定了各元件的型号，完成了系统关键部分的设计。第5章 传动装置设计本章主要介绍液压驱动系统传动系统部分，主要元件是离合器。本章对离合器的结构、工作原理及各项指标的确定均作了详细的阐述和设计，并对其结构元件的材料作了必要的规定。5.1 概述5.1.1 离合器设计 离合器装在发动机与变速器之间，汽车从启动到行驶的整个过程中，经常需要使用离合器。它的作用是使发动机与变速器之间能逐渐接合，从而保证汽车平稳起步；暂时切断发动机与变速器之间的联系，以便于换档和减少换档时的冲击；当汽车紧急制动时能起分离作用，防止变速器等传动系统过载，起到一定的保护作用。离合器类似开关，接合或断离动力传递作用，因此，任何形式的汽车都有离合装置，只是形式不同而已。 目前，汽车离合器操纵形式有拉线和液压式两种，轿车多用液压操纵式，它具有噪声小、省力、平稳、布置方便的优点，由总泵、分泵、软管、踏板等组成。当驾车者踩下离合器踏板时，推杆推动总泵活塞使油压增高，通过软管进入分泵，迫使分泵拉杆推动分离叉，将分离轴承推向前；当驾车者松开离合器踏板时，液压解除，分离叉在回位弹簧作用下逐渐退回原位，离合器又处在接合状态11。如图5.1。 现在，电子技术也进入了离合器系统。一种由控制单元（ECU）控制的离合器已经应用在多款的轿跑车上。其ECU汇集油门踏板、发动机转速传感器、车速传感器等信号，驱动伺服马达机构施行自动变速。5.1.2 任务与性能 分离装置实现可逆向动力传递，在车辆减速制动工况将底盘的动能向泵/马达传递(即作为泵的动力源)，在起动及加速工况将液压马达输出的动力传递给传动轴与发动机一同驱动车辆行驶或起步。要求其工作过程中的动力输出特性及可靠性与该车发动机相匹配，同时自身具备动力离合机构。5.2 关键部件设计本节主要根据系统要求对离合器提出了相应的要求，并对离合器的结构选择做了一定的规定。5.2.1 离合器的要求 本系统所用离合器主要用于主从动部分在同轴线上传递运动和动力时实现结合或分离功能的装置。它与汽车传动系所用离合器有相似之处，它应满足下列基本要求: 1、离、合迅速，平稳无冲击，分离彻底，动作准确可靠。 2、结构简单，重量轻，惯性小，外形尺寸小，工作安全，效率高。 3、结合元件耐磨性高，使用寿命长，散热条件好。 4、操作方便省力，制造容易，调整维修方便。此外，在设计离合器时还需要考虑离合片的分离机构，此机构在离合器需要分离时能提供一定的外力使其能快速可靠地分离12。5.2.2 离合器结构的选择 选择离合器的依据主要有原动机的类型、载荷的大小和性质、环境条件以及对离合器的工作要求和使用特点等。其主要包括以下几方面;离合器的选择、操作方法的选择、结合方法的选择、缸体运动状态的选择。 1、离合方式离合器按其离合方法的不同分为操纵离合器和自动离合器。鉴于本系统离合器分离频繁，且系统由计算机控制。与驾驶员无关，本系统采用自动离合器。2、操纵方式离合器按其操纵方法的不同可分为机械操纵式、液压操纵式、气压操纵式和电磁操纵式。机械操纵离合器一般由人力操纵，不适合自动操纵。电磁操纵离合器对环境要求高，发热量大，也不适合本系统。气压操纵离合器和液压操纵离合器都可基本满足本系统要求。但与气压操纵离合器相比，液压式离合器具有更大的单位容积扭矩，具有传递扭矩大、体积小的特点。而且液压式离合器可以无冲击，平稳的起动与换向。3、结合元件离合器的结合元件主要有嵌合式和摩擦式。其中，嵌合式离合器结构简单，传递扭矩大，主从动轴可同步转动，尺一寸小。但啮合时有刚性冲击，只能在静止或量轴差速不大时接合，这显然不适合本系统的要求。摩擦式离合器离合较平稳，过载时可自行打滑，这对于保护系统的主要元件十分有益。所以，本系统选用摩擦时离合器。对摩擦式接合元件材料的选择需考虑:1、具有高而稳定的摩擦系数。对于干式摩擦片一般要求摩擦系数值的波动量不超过正常平均值的士15%。对于湿式摩擦片摩擦系数值的波动不应超过士20% ；2、有足够的强度和良好的耐磨性；3、耐热性好，热容量大，能经受较高的温度而无明显的变形或引起材质的改变；4、工艺性好，摩擦时无噪音、无振动、无异味、无污染，成本低13。5.3 离合器的设计计算本节主要介绍了离合器各主要参数的计算方法，而且对各主要部分如扭转减振器、操纵机构等元件进行了简要的说明并提出了必要的要求。5.3.1 离合器主要参数的选择 1、静摩擦力矩的计算摩擦式离合器是靠离合器的摩擦面间的摩擦力矩来传递转矩的，离合器的静摩擦力矩根据摩擦定律可表示为：= （5.1）式中 静摩擦力矩；摩擦面间的静摩擦因数，计算时一般取0.25-0.30；摩擦片的平均摩擦半径；摩擦面数，是从动片数的两倍。设压盘施加在摩擦面上的压力是均匀分布的，摩擦面上的总压力为，单位面积上的压力为，摩擦面的面积为，则有： （5.2）式中 摩擦片的外径；摩擦片的内径。在摩擦面上取一微面积，则在微元面积上所受的正压力，摩擦力和摩擦力矩分别为： （5.3） （5.4） （5.5）式中 摩擦面间的静摩擦系数，计算时一般取0.250.30则离合器摩擦面上总的静摩擦力矩为： （5.6）式中 摩擦面数,单片式离合器,双片式离合器=4；内外径之比， 。2、离合器的基本参数 离合器的基本参数主要有后备系数和单位压力。 (1) 后备系数后备系数是离合器的一个重要参数，它反映离合器传递系统最大扭矩的可靠程度。汽车用离合器的静摩擦力矩应大于发动机的最大输出转矩。因本系统所用离合器所传递最大扭矩与汽车用离合器相同，所以可以类比于汽车用离合器的计算。即： （5.7）式中 离合器的后备系数，必须大于1。 各类汽车，通常的取值范围为：轿车和轻型货车为1.21.75，中型和重型货为1.52.25，越野汽车，带拖挂的重型汽车和牵引汽车为1.84.0，对于本系统可参选1.75。(2) 单位压力 若离合器使用频繁，发动机后备功率小，应取小些，反之可取大些。当摩擦外径较大时，为降低摩擦片外缘处的热负荷，应降低。当采用石棉基摩擦材料时，可取为0.100.35，烧结金属允许为0.350.50 ， 金属陶瓷材料允许其超过0.70甚至可达；1.502.00 。 对于轿车，为0.18 -0.30 ；对货车，为0.14-0.24 。 参照以上原则，选取石棉基摩擦材料，选为0.2离合器主要尺寸的确定14： 离合器的主要尺寸有两个：即摩擦片的内径和外径。和可按上面所选取的后备系数和单位压力并结合式（5.1）和式（5.7）来初步确定。摩擦片外径也可根据发动机最大转矩按如下经验公式选用 （5.8）式中 直径系数 轿车：=14.5 轻、中型货车：单片=16.018.5；双片=13.515.0 重型货车=22.524.0对于公交汽车可参照选取=17。 假设公交汽车所用发动机最大功率为，最大扭矩为。参照公交汽车用离合器，本系统离合器初步确定采用单片式同步弹簧离合器。 由式（5.8 )可得： （5.9）对于公交汽车，后备系数可取为1.75，代入式（5.6）可得 （5.10）代入式(5.6)，并取摩擦系数，摩擦面数，以及上述计算已初步算出的值，可得： （5.11） 查标准，将内径圆整为某一值。由此可得15： （5.12）5.3.2 离合器基本参数的校核及优化离合器要满足工作条件，需符合以下约束条件161、磨擦片的外径的选取应使最大圆周速度不超过6570 m/s （5.13）式中 发动机最高转速。2、摩擦片内外径比C应在0.534.70范围内，由以上计算可知满足.3、为满足离合器可靠传递转矩，并防止传动系过载，不同车型的值应在一定范围内，最大范围卢为1.24.0。本系统=1.75，满足条件。4、为保证扭转减振器的安装，摩擦片内径必须大于减振器弹簧位置直径约50 （5.15）5、为反应离合器传递转矩并保护过载的能力，单位摩擦面积传递的转矩小于许用值，即： （5.16）查机械设计手册可得=40。将各项值带入上式： （5.17）6、为了减少汽车起步过程中离合器的滑磨，防止摩擦片表面温度过高而发生烧伤，每一次接合的单位摩擦面积滑磨功应小于其许用值，即 （5.18）式中 单位摩擦面积滑磨功；为其许用值。依公交汽车离合器设计经验，本系统可选=0.4（）为汽车起步时离合器接合一次所产生的总滑磨功，可根据下计算： （5.19）式中 汽车总质量； 轮胎滚动半径；取500米 起步时所用变速器档位的传动比；一挡时，=4.75 主减速器传动比；本系统定为6.33 发动机转速，取1500。所以，经过计算，离合器基本参数满足系统要求。5.3.3 扭转减振器汽车用离合器的扭转减振器主要由弹性元件(减振弹簧或胶)和阻尼元件(阻尼片)等组成.其主要作用是17：1、低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，谐调传动系扭振固有频率。2、加传动系扭振阻尼，抑制扭转共振响应振幅，并衰减因冲击而产生的瞬态扭振。3、控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器轴系的扭振，消减变速器怠速噪音和主减速器与变速器的扭振与噪声。4、缓和非稳定工况下传动系的扭转冲击载荷和改善离合器的接合平顺性。 本系统所用离合器要求比汽车用离合器低，扭转减振器并是必须安装。但考虑到系统运行情况复杂，为保护系统，避免非稳定情况下的冲击与意外，增加系统的使用寿命。还是决定使用扭转减振器。减振器的扭转刚度和阻尼摩擦元件间的摩擦转矩是主要参数。其设计参数还包括极限转矩预紧转矩和极限转角等。相关参数计算如下18：1、极限转矩极限转矩为减振器在消除限位销与从动盘缺口之间的间隙时所能传递的最大转矩，即限位销起作用时的转矩。它与发动机最大转矩有关，一般可取 （5.20）式中 发动机最大转矩。2、扭转刚度 （5.21） 式中 减振弹簧的位置半径； 减振弹簧的个数，对于公交车可取10； 每个减振弹簧的线刚度。3、阻尼摩擦转矩 （5.22）4、极限转角 （5.23）5、减振弹簧总压力 （5.24）式中 减振弹簧的工作变形量。5.3.4 离合器的操纵机构鉴于汽车用离合器操纵机构为成熟设计，因此尽量采用其设计。本系统因使用自动控制，所以宜采用液压式操纵机构。并采用独立小型油箱为双作用双活塞杆缸提供油源，以免与本系统其它液压元件相互干扰。 离合器操纵机构的主要计算如下；液压式操纵机构示意，如图5.1所示。图5.1 离合器操纵机构油缸行程由自由行程S1和工作行程S2两部分组成： （5.25）式中 分离轴承自由行程，一般为1.53.0mm； 离合器分离时对偶摩擦面间的间隙，单片为0.851.30mm；，杠杆尺寸，液压缸所需发出的操纵力可按下式计算： （5.26）式中 离合器分离时，压紧弹簧对压盘的总压力； 操纵机构总传动比，=；机械效率，液压式：=80%90%；克服回位弹簧1的拉力所需的操纵力。液压缸工作缸的直径的确定与液压系统所允许的最大油压有关。考虑到橡胶软管及其管接头的密封要求，最大允许油压一般为58。5.3.5 离合器的结构元件1、从动盘总成从动盘总成主要由摩擦片、从动片、减振器和花键毅等组成。从动盘对离合器工作性能影响很大。为了使从动盘具有轴向弹性，以缓和冲击。本系统采用在从动盘上开“T”形槽，外缘形成许多扇形，并将扇形部分冲压成依次向不同方向弯曲的波浪形。两侧的摩擦片则分别铆在每隔一个的扇形上。“T”形槽还可以减少由于摩擦发热而引起的从动片翘曲变形。 摩擦片与从动片通过铆接连接。铆接方式连接可靠，更换摩擦片方便，适宜从动片上装波形片。花键毂采用齿侧对中的矩形花键，花键轴与孔采用动